COMS模拟集成电路复习题.doc

1,MOS管的工作原理MOS管有N沟和P沟之分，每一类分为增强型和耗尽型，增强型MOS管在栅-源电压vGS=0时，漏-源极之间没有导电沟道存在，即使加上电压 vDS，也没有漏极电流产生。而耗尽型MOS 管在vGS=0 时，漏-源极间就有导电沟道存在。 MOS 管的源极和衬底通常是接在一起的。增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。当栅-源电压vGS=0时，即使加上漏-源电压 vDS，总有一个 PN 结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，这时漏极电流 iD0。 若在栅-源极间加上正电压，即 vGS0，则栅极和衬底之间的 SiO2 绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，形成耗尽层，同时 P 衬底中的电子被吸引到衬底表面。当 vGS 数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现.vGS 增加时，吸引到 P衬底表面层的电子就增多，当 vGS 达到某一数值时，这些电子在栅极附近的 P 衬底表面便形成一个 N 型薄层，在漏-源极间形成 N 型导电沟道，称为反型层。vGS 越大，吸引到 P 衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压VT。N 沟增强型 MOS 管在 vGSVT 时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。当 vGSVT 时，才有沟道形成，此时在漏-源极间加正电压 vDS，才有漏极电流产生。而且vGS增大时，沟道变厚，沟道电阻减小，iD 增大。2、影响MOS管阈值电压的主要因素一是作为介质的栅氧化层中的电荷Qss及其性质。这种电荷通常由多种原因产生，其中一部分带正电，一部分带负电，其净电荷的极性会对衬底表面产生电荷感应，从而影响反型层的形成，或使器件耗尽，或阻碍反型层的形成。二是衬底的掺杂浓度。要在衬底上表面产生反型层，必须施加能够将表面耗尽并且形成衬底少数载流子的积累的栅源电压，这电压的大小与衬底的掺杂浓度有直接关系。衬底掺杂浓度越低，多子浓度也越低，使衬底表面耗尽和反型所需要的电压VGS越小。衬底表面掺杂浓度的调整是通过离子注入杂质离子进行。三是由栅氧化层厚度tOX决定的单位面积栅电容的大小。单位面积栅电容越大，电荷数量变化对VGS的变化越敏感，器件的阈值电压则越小。栅氧化层越薄，氧化层中的场强越大，栅氧化层的厚度受到氧化层击穿电压的限制。四是栅材料与硅衬底的功函数差MS的数值，这和栅材料性质以及衬底的掺杂类型有关，在一定的衬底掺杂条件下，栅极材料类型和栅极掺杂条件都将改变阈值电压。对于以多晶硅为栅极的器件，器件的阈值电压因多晶硅的掺杂类型以及掺杂浓度而发生变化3MOS管的二级效应衬底效应MOS管的阈值电压将随其源极和衬底之间电位的不同而发生变化。随着VGS上升，在衬底表面产生了耗尽层。当VGS上升阈值电压时，栅下的衬底表面发生反型，NMOS管在源漏之间开始导电。阈值电压的大小和耗尽层的电荷量有关，耗尽层的电荷量越多，NMOS管的开启就越困难，阈值电压越高。当VBS0时，栅极和衬底之间的电位差加大，耗尽层的厚度也变大，耗尽层内的电荷量增加，所以造成阈值电压变大。随着VBS变小，阈值电压上升，在VGS和VDS不变的情况下，漏极电流变小。沟道长度调制效应MOS晶体管中,栅下沟道预夹断后、若继续增大Vds，夹断点会略向源极方向移动。导致夹断点到源极之间的沟道长度略有减小，有效沟道电阻也就略有减小，从而使更多电子自源极漂移到夹断点，导致在耗尽区漂移电子增多,使Id增大亚阈值效应即使在VGSVTH时，沟道内仍然有电流存在。当VGS接近VTH时，漏极电流下降到10-710-8A。当VGSVTH时，漏极电流按指数规律下降。栅极电压对漏极电流的控制从饱和区的平方律变成了亚阈值区的指数规律。MOS管的电流电压关系可以用公式来表示。其中ID0是和工艺有关的参数，是亚阈值斜率因子。当VGS满足的条件时，一般认为MOS管进入了亚阈值区域.4MOS二极管的电阻5MOS管的特征频率的物理意义6MOS管不同工作区的特点截至区：源漏电流为零，有很好的开关特性，适用于数字电路线性区；源漏电阻随着漏极电压线性变化，输出电阻较小，在数字电路里面类似于开关的开态，在模拟领域也有广泛的应用，比如，多级运放，需要做频率补偿时，可以采用RC串联的方式，引入零点来消除第二主极点，从而提高系统稳定性，而此时用到的电阻R可以用线性区电阻实现。此外，共模反馈中也会用到线性区的mos管。饱和区别：从漏极看，有较高的输出电阻，作为负载使用时，可以提高运放增益，在差分电路中应用这一特性可以提高共模干扰的抑制能力。7萨氏方程及跨导及过驱动电压（饱和电压）VGSVth：MOS管的“过驱动电压”，在漏源电压的作用下刚开始有电流产生时的VG为阈值电压Vth 。工作在饱和区的MOS管可等效为一压控电流源，故可用跨导gm来表示MOS管的电压转变电流的能力，跨导越大则表示该MOS管越灵敏，在同样的过驱动电压下能引起更大的电流，跨导为漏源电压一定时，漏极电流随栅源电压的变化率，即8比例电流镜的设计原理这是标准的共源共栅结构，想比普通电流镜的好处就是输出电阻大，恒流特性显著增强， 缺点就是输出摆幅较小，有阈值损失。这种结构阈值损失较少，提高输出摆幅，缺点是多了一条支流，功耗增加。（下面是典型的器件尺寸设计，关注M4的尺寸特点）9如何设计自偏置电压源10基准源设计需要考虑的因素为了得到与温度无关的电压源，其基本思路是将具有负温度系数的电压与具有正温度系数的电压相加，它们的结果就能够去除温度的影响实现接近0温度系数的工作电压（zero TC）。双极型晶体管的基极-发射极电压具有负温度系数。正温度系数的实现若两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极-发射极电压差值就与绝对温度成正比。通过正温度系数和负温度系数的叠加可以消除整个电路的温度系数。利用放大器两个输入端的电压近似相等就可以很方便得将正负温度系数特性结合起来。11带隙基准的结构与原理为了得到与温度无关的电压源，其基本思路是将具有负温度系数的电压与具有正温度系数的电压相加，它们的结果就能够去除温度的影响，实现接近0温度系数的工作电压（zero TC）。双极型晶体管的基极-发射极电压具有负温度系数。正温度系数的实现若两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极-发射极电压差值就与绝对温度成正比。通过正温度系数和负温度系数的叠加可以消除整个电路的温度系数。利用放大器两个输入端的电压近似相等就可以很方便得将正负温度系数特性结合起来。12各种单级放大器的特点差分放大器：抗干扰能力高，输入输出范围增大，信噪比大，失真度减小，面积增加一倍。反相放大器：优点是跨导与电流，放大器的线性特性好，大信号下也是如此。CASCODE：增益高，输出电阻大，带宽小，具有屏蔽特性（减少失配），减小MILLER效应对上一级的影响。15差分放大器的结构、特点及作用差分信号作为输出可以增大最大输出压摆。 差分工作模式，能很好抑制环境噪声（如电源噪声），即所谓的共模抑制。虽然这是以电路面积为代价的，但对于在单端模式时采用其它的方法来抑制环境噪声的干扰的电路面积而言还是较小的。差分电路还具有偏置电路简单和线性度高等优点。16基本差分对中的尾电流源的作用为差分对提供一个电流源IS，以使差分对具有固定的尾电流，从而产生独立于输入共模信号Vic的电流ID1+ID2。在共模输入时差分对管的工作电流ID1=ID2= IS/2，并且保持恒定；同理，其共模输出电平也保持恒定，且其值为VDD-RIS/2（R为负载等效电阻）。解决了由于差分对管在共模输入时的工作电流变化引起非线性及输出信号失真等。17各类单级放大器的增益输出电阻（共模增益、差模增益）、输入输出共模电平范围、摆幅双端输入双端输出时的差模电压增益 双端输入单端输出差模电压增益在理想情况下，由于电路的完全对称性，则当输入共模信号时，由于引起差分对管的每边的输出电压的变化量相等，双端输出的电压为0，故电压增益为0理想情况下，单端输出共模小信号增益也为018差分放大器共模抑制能力及分析共模抑制比CMRR表示差分放大器的共模抑制能力，CMRR定义为放大器的差模信号电压增益与共模信号电压增益之比。即：，当电路完全对称时，共模电压增益为0，故CMRR为无穷大，但实际电路不对称，因此CMRR为一个有限值，其值越大则共模抑制能力越强。20如何求解放大器的频率响22完整的运算放大器的构成第一级是差分放大器，中间是共源共栅放大器，包括补偿、偏置、增益等电路，接下来是输出级。23运算放大器的补偿分析及原理（mill电容及带调零电阻）1，MILL电容补偿;单电容补偿，电容加调零电阻，nest式电容补偿,2，自补偿-负载电容补偿。P1与P2为分离的实极点，前级极点P1为主极点，后级极点p2为次极点。压缩主极点频率P1，拓展次极点频率P2，通过将GBW放在P2以内，保证闭环稳定性，miller电容通过增大有效输入电容，降低输出阻抗以实现上述补偿目标。基本的miller补偿由并联补偿发展而来，改变极点分布。3，前馈是形成零点的重要方式之一。24如何提高运算放大器的增益1. 可以采用共源共栅结构（比如19题中的最后一张图）、2. 可以采用增益提高电路 25运算放大器的建立时间、摆率、CMRR/PSRR、摆幅、输出电阻及测量方法建立时间：当运放被一个小信号激励时，运放输出达到最终值得误差允许范围内的时间，由零极点位置